VD氩气搅拌自动控制设计

徐芳泉

摘 要：在对合金钢进行冶炼的过程之中，需要将其中的各种杂质以及气体元素排出钢水之外，进而能获得纯净的优质钢水。氩气搅拌能够让钢水成分、温度更为均匀，促进夹渣物的上浮，让钢水更为纯净。在文中就VD氩气搅拌的设计进行介绍。

关键词：真空炉，氩气，搅拌

电弧炉冶炼优质合金钢工艺过程一般为：超高功率电弧炉（FSF）钢包精练电炉（LF）和真空炉（VD）三个冶炼次序，在VD中进行真空抽气的目的就是使钢水中夹杂的各种气体元素如H，O，N，尽可能排出钢水之外，使这些有害元素的含量达到冶炼标准，从而获得纯净的优质钢水，为使这些元素能顺利排除钢水，向钢水由底部向上吹一定流量的氩气，利用真空扩散的原理，促使H，O，N，等气体上浮，排出钢水面.同时，氩气搅拌起到均匀钢水成分，均匀钢水温度，促进夹杂物上浮的作用，从而获得优质纯净的钢水，氩气搅拌系统一个主要的控制目标是钢水中吹出氩气的流量.

一、VD爐氩气搅拌设备的结构和原理

1、结构组成

本系统设备由一组流量控制阀、压力计量单元、流量计量单元、稳流装置、PLC控制单元和人机界面等组成。该装置能实现氩气流量大范围精确控制，可进行远程自动和现场手动操作，并提供RS422/485标准通讯接口，以广泛应用于钢铁企业自动化吹氩系统。

2、原理

设备采用的PCM流量控制技术是将控制信号以2进制的形式输出，去控制一组阀门的开关组合。详见附图1：

图中将A1A2A3A4……制成可调节的A1A2A3A4……四种开口面积，这样就成为A1：A2：A3：A4……=1：2：4：8……。将上述A1—A6综合面积的组合，由开关阀的通断来实现，不同的二进制信号，对应不同的开口面积，当二进制信号按一定规律变化时，就可以得到与二进制信号成比例关系的供氩气面积，从而可以得到与二进制信号变化成正比例关系的流量。同时系统中增加了稳流装置，使的流量不受外界因素的干扰，满足了各种炼钢工艺的要求。

在控制系统中可以根据工艺要求，即时设定和修改吹氩流量曲线，可以手动控制亦可在主控台上控制，并提供吹氩监控画面，同时设有气源压力低、泄露报警、堵塞报警功能，便于操作人员了解吹氩情况并及时排除。

二、本系统设备的主要功能

1、每个气体控制柜各有两个出口，以各自的吹气模式负责两个工位同时吹气搅拌，并互不影响。每个气体控制柜内配有两套控制阀组，每套阀组均配有高压旁路，在正常工作压力无法吹透的情况下自动切换到高压旁路强吹；满足设定值和实际气体流量的一致性；保证钢水始终处于稳定搅拌状态并且吹氩机出口距钢包距离不大于50m。

2、正常进入气体控制柜的气体压力满足0.8～1MPa，最高压力不超过2.5 MPa；用点正常使用压力为0.5～0.7 MPa。

3、气体控制柜内装有PLC SIEMENS S7 300，并存储满足炉外精炼及电炉出钢钢包吹气搅拌的理想进行的应有程序几种常用吹氩模式并可以进行一键快速切换、各种压力及流量显示、吹气搅拌结束程序等。整个流量的设置和实际流量的控制均在此程序中。通过主控室的电脑显示屏，操作人员可以随时跟踪整个系统运行状况。气体流量显示表和压力显示表随时显示钢包里的吹气搅拌情况；气体流量的设置和改变轻而易举；操作人员可以在电脑中同时得到以下真实数据：

a.初始值的设定；

b.当前管道压力；

c.当前流量；

d.累积的吹气搅拌时间；

e.单位时间内总的气体使用量；

f.至少3个流量快速切换值的设定和显示；

g.旁通开关的控制和运行情况；

h.随时了解钢包里的吹气搅拌情况，并判断透气砖的透气性能等；

在主控电脑里除以上数据外，还可以统计到每个工位气体的总使用量（仅允许管理人员清零），查询精炼炉超过1000炉的开始吹气时间和结束时间，并查询每包钢的气体使用量。

4、参数显示采用品牌PC17″真彩液晶显示屏，并备有联网接口卡，负责两个工位钢水的监测和实现室内远程控制。

5、每套设备配有两个现场操作箱，实现现场控制及显示数据与主控电脑同步，具有各种吹氩模式的快速切换开关，并且可以实现对吹气流量的人工干预调整。操作箱的设计安全可靠，不会影响生产。操作箱的显示仪表上可以得到以下数据： a.当前压力 b.当前流量

6、高压旁路和低压旁路（即正常支路）手动切换按键安装在操作箱上，正常状态下是系统自动切换，操作人员可根据实际生产情况进行手动切换，操作简便。主控室电脑随时显示吹气搅拌情况，并与操作箱一致，实现电脑与操作箱同时控制。

7、保证在渣层不破的情况下给予钢水最大气体流量软吹，并可做微调。

8、系统具有对透气砖的保护功能。设备在停止工作时，能够缓慢降低管道内的气体压力，使钢水在透气砖上有足够的时间形成硬结层，从而保护透气砖。

9、流量准确检测和自动控制：设定流量和当前流量偏差不超过5NL/min；设定气体的流量变化与实际流量反应时间小于2秒（视气源压力的波动情况而定）。

10、具有气源压力低、漏气报警、堵塞报警等报警功能。

11、所有管道、接头、过滤器等采用不锈钢或铜质材料。

三、设备较传统吹氩装置的优势

1、节能：本机吨钢吹氩量仅为传统吹氩装置的三分之二。

2、较传统吹氩装置更能有效地提高钢的纯净度和质量。

3、较传统吹氩装置钢液升温快，精炼时间缩短20%。

4、绿色环保，100%吹气搅拌成功。

四、新系统设备与传统吹氩装置的区别

由于传统的吹氩技术采用流量-调节阀系统，根据流量计反映出的氩气流量和预设的流量比较，需改变流量时，要控制电动调节阀或气动薄膜阀的开口量大小改变供氩流量，由于上述阀门的开启度仅十几毫米大小，很难实现大范围的流量变化，由于是闭环控制反应的灵敏度不是最理想，往往在吹氩量微量调整时不能如愿，再加上各钢包的透气性能不稳定和现场工况的影响，其吹氩设备根本满足不了炼钢工艺的要求，这样既浪费了成本，钢的品质又得不到明显改善，使得一些企业不得不采用电磁搅拌等其它落后的手段来弥补底吹氩的不足。我们最新研发的G6数控吹氩机从根本上解决了传统吹氩设备的弊端，采用国际上先进的脉冲编码技术（PCM）和加权平均法去控制一组阀门的开关组合。同时考虑到钢包的透气砖性能的不稳定和现场工况的影响，在系统中又加入了稳流装置。自本设备研制成功到投入运行以来，经鉴定其性能和各项技术指标均达到和超过国际先进水平。

五、结论

一炼钢2#VD炉是利用抽真空原理来获得优质钢水。而这一系列的工作过程要由氩气搅拌来完成。从它的设计和控制中可以看到，采用的是先进的DOSE阀组，及流行的PLC操作，可通过人机界面进行手动与自动切换的操作控制。消除了以往的传统阀组所存在的问题。S7-400（主站PLC）采用的分布式I/O控制，与氩气搅拌PLC的S7—300（分站PLC）通过MPI点接口进行联接。MMI和主站PLC是由工业以太网进行联接的。以达到在MMI画面上可随时进行操作，监控阀的状态等目的，同时也为我们维护带来了方便。